DE10250549A1 - Reciprocating internal combustion engine, has metal or ceramic spacer inserted between engine block and cylinder head - Google Patents
Reciprocating internal combustion engine, has metal or ceramic spacer inserted between engine block and cylinder headInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Motorblock und mindestens einem Zylinderkopf, welche einander zugewandte und parallel zueinander verlaufende Dichtflächen aufweisen, sowie mit mindestens einem Brennraum, in dessen im Motorblock ausgebildeten Brennraumbereich ein Kolben mittels Kolbenringen an einer Brennraumumfangsfläche längs einer Brennraumachse zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt verschiebbar geführt ist. The invention relates to a reciprocating internal combustion engine with a Engine block and at least one cylinder head, which face each other and have sealing surfaces running parallel to one another, and with at least a combustion chamber, in the combustion chamber area formed in the engine block a piston by means of piston rings on a combustion chamber circumferential surface along one Combustion chamber axis between an upper and a lower dead center is slidably guided.
Wenn vorstehend davon die Rede war, daß der Motor mindestens einen Zylinderkopf haben soll, so ist dies vor dem Hintergrund zu sehen, daß es auch Mehrzylinder-Motoren gibt, bei denen für jeden Zylinder bzw. Brennraum ein gesonderter Zylinderkopf vorgesehen ist. Dementsprechend kann ein solcher Motor auch mehrere Zylinderkopfdichtungen aufweisen, nämlich für jeden Zylinderkopf jeweils eine Dichtung. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch solche Motoren betrifft, bei denen die den Kolben führende Brennraumumfangsfläche eines Zylinders nicht vom eigentlichen Motorblock gebildet wird, sondern von einer in den Motorblock eingesetzten Zylinderlaufbuchse; wenn deshalb vorstehend und im folgenden von einem Motorblock die Rede ist, so soll hierunter gegebenenfalls auch die Kombination aus eigentlichem Motorblock und Zylinderlaufbuchse bzw. Zylinderlaufbuchsen verstanden werden, und bei der Motorblock-Dichtfläche kann es sich gegebenenfalls ganz oder teilweise um eine von einer Zylinderlaufbuchse bzw. Zylinderlaufbuchsen gebildete Dichtfläche handeln. If it was said above that the engine had at least one Cylinder head, it should be seen against the background that it is too Multi-cylinder engines are there for each cylinder or combustion chamber separate cylinder head is provided. Accordingly, such Engine also have several cylinder head gaskets, namely for each Each cylinder head has a gasket. It should also be noted that the Invention also relates to engines in which the piston leading Combustion chamber circumference area of a cylinder not from the actual engine block is formed, but by one inserted into the engine block Cylinder liner; if therefore above and below from an engine block If so, the combination of actual engine block and cylinder liner or cylinder liners can be understood, and the engine block sealing surface may possibly be in whole or in part by one from a cylinder liner or Act cylinder liners formed sealing surface.
Vor allem bei Dieselmotoren führte das Bestreben, die Motorleistung zu erhöhen und die Abgaswerte zu reduzieren, zu immer höheren Zünddrucken, worunter im folgenden ganz generell der im Laufe der Verbrennung auftretende maximale Gasdruck verstanden werden soll. Bei Otto-Motoren hat die Tendenz, aus einem bestimmten Hubraum eine immer größere Leistung (sogenannte Literleistung) zu erhalten und den Kraftstoffverbrauch zu senken, zur Folge, daß diese Motoren eine sich immer mehr erhöhende Verdichtung aufweisen, was gleichfalls zur Folge hat, daß der im Zuge der Verbrennung auftretende maximale Druck entwicklungsbedingt ständig zunimmt. Especially in the case of diesel engines, the effort resulted in engine performance increase and reduce the exhaust gas values, to ever higher ignition pressures, including the following in general that during the combustion occurring maximum gas pressure should be understood. With Otto engines, the The tendency is to get ever greater performance from a certain cubic capacity (so-called liter performance) and to reduce fuel consumption, as a result that these engines an ever increasing compression have, which also has the consequence that in the course of the combustion occurring maximum pressure constantly increases due to development.
Bei herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungsmotoren liegt der obere Totpunkt des Kolbens so, daß die Oberkante der Kolbenumfangsfläche eines sich in seinem oberen Totpunkt befindlichen Kolbens entweder ganz geringfügig unterhalb der Ebene des sogenannten Dichtspalts bzw. der Motorblock-Dichtfläche oder im Zylinderkopf liegt - letzteres ist dann der Fall, wenn der Zylinderkopf einen Teil der Brennraumumfangsfläche bildet; der sogenannte Dichtspalt wird durch die Dichtflächen von Motorblock und Zylinderkopf begrenzt und durch die Zylinderkopfdichtung abgedichtet. Ferner ist der oberste Kolbenring stets in einem erheblichen Abstand von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche angeordnet, weil sonst die Gefahr besteht, daß die obere Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden, in der Kolbenumfangsfläche ausgebildeten Ringnut unter den im Motorbetrieb auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen ausbricht. Wenn sich der Kolben seinem oberen Totpunkt nähert, darf sein oberster Kolbenring die Zylinderkopfdichtung jedoch nicht überlaufen, d. h. nicht bis in die Dichtspaltebene gelangen, und bei allen bekannten Motoren liegt der oberste Kolbenring bei sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolben in einem erheblichen Abstand unterhalb der Dichtspaltebene. In conventional reciprocating internal combustion engines, the top dead center lies of the piston so that the upper edge of the piston peripheral surface is one in its top dead center piston either very slightly below the level of the so-called sealing gap or the Engine block sealing surface or in the cylinder head - the latter is the case if the Cylinder head forms part of the combustion chamber circumferential surface; the so-called The sealing gap is created by the sealing surfaces of the engine block and cylinder head limited and sealed by the cylinder head gasket. Furthermore, the top one Piston ring always at a considerable distance from the top of the Piston peripheral surface arranged, otherwise there is a risk that the upper Side wall of the piston ring holding this, in the piston peripheral surface trained ring groove among the mechanical and occurring in engine operation thermal loads. If the piston is its upper Dead center is approaching, however, its top piston ring may touch the cylinder head gasket do not overflow, d. H. do not reach the sealing gap level, and for all known engines, the top piston ring is in its top Pistons located dead center at a considerable distance below the Seal gap level.
Diese geometrischen Verhältnisse, von denen der Mindestabstand des obersten Kolbenrings von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche nicht zur Disposition steht, haben zur Folge, daß die hohen, in einem Brennraum auftretenden maximalen Gasdrücke zu folgenden kurzzeitigen, d. h. momentanen, elastischen Verformungen der Motorbauteile (Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse) führen: Infolge der bezüglich der Brennraumachse radialen Druckbeaufschlagung des vom Motorblock bzw. einer Zylinderlaufbuchse gebildeten Bereichs der Brennraum-Umfangswand, welcher sich im oberen Totpunkt des Kolbens oberhalb dessen oberstem Kolbenring befindet, wird dieser Bereich der Brennraum-Umfangswand aufgeweitet, d. h. in diesem Bereich verschiebt sich die Brennraum-Umfangswand radial nach außen, was entsprechende, bezüglich der Brennraumachse radial nach außen gerichtete Querbewegungen zumindest eines den Brennraum umgebenden ringförmigen Bereichs der Motorblock-Dichtfläche (bzw. einer dem Zylinderkopf zugewandten Dichtfläche einer Zylinderlaufbuchse) zur Folge hat. Bei der heute überwiegend anzutreffenden Gestaltung des Zylinderkopfs, bei der letzterer höchstens einen sehr kleinen Teil des Brennraums aufnimmt, führt die in Richtung der Brennraumachse nach oben gerichtete (axiale) Druckbeaufschlagung des den Brennraum oben begrenzenden Bereichs des Zylinderkopfs hingegen dazu, daß letzterer auf Biegung beansprucht wird, und aufgrund der Durchbiegung des Zylinderkopfs ergeben sich bezüglich der Brennraumachse radial nach innen gerichtete Querbewegungen der Zylinderkopf-Dichtfläche zumindest in einem den Brennraum umgebenden ringförmigen Bereich dieser Dichtfläche. Die im Motorbetrieb auftretenden Querbewegungen der Dichtflächen von Motorblock (bzw. Zylinderlaufbuchse) und Zylinderkopf sind dann also gegenläufig. Selbst wenn ein nennenswerter Teil des Brennraums im Zylinderkopf ausgebildet ist, führt der im Brennraum auftretende maximale Gasdruck nicht zu nennenswerten radial nach außen gerichteten Querbewegungen der Zylinderkopfdichtfläche, weil der Zylinderkopf als eher plattenähnliches Bauteil in radialer Richtung steifer ist als der den Brennraum aufnehmende, eher rohrartige Bereich des Motorblocks. These geometric relationships, of which the minimum distance of the top piston ring from the top edge of the piston circumferential surface not to Dispositions have the consequence that the high, in a combustion chamber occurring maximum gas pressures at the following short-term, d. H. momentary, elastic deformations of the engine components (cylinder head and Engine block or cylinder liner): As a result of the Combustion chamber axis radial pressurization of the engine block or one Cylinder liner formed area of the combustion chamber peripheral wall, which is in the top dead center of the piston is located above its top piston ring, this area of the combustion chamber peripheral wall is widened, i. H. in this Area, the combustion chamber peripheral wall shifts radially outward what corresponding radially outward with respect to the combustion chamber axis Transverse movements of at least one annular surrounding the combustion chamber Area of the engine block sealing surface (or one of the cylinder head facing sealing surface of a cylinder liner). At today predominantly encountered design of the cylinder head, in the latter takes up at most a very small part of the combustion chamber, which leads to Direction of the combustion chamber axis directed upwards (axial) Pressurizing the area of the cylinder head which delimits the combustion chamber at the top on the other hand, that the latter is subjected to bending, and because of the Deflection of the cylinder head results with respect to the axis of the combustion chamber radially inward transverse movements of the cylinder head sealing surface at least in an annular area surrounding the combustion chamber Sealing surface. The transverse movements of the Sealing surfaces of the engine block (or cylinder liner) and cylinder head are then so in the opposite direction. Even if a significant part of the combustion chamber in the Cylinder head is formed, the maximum occurs in the combustion chamber Gas pressure not significantly directed radially outwards Cross movements of the cylinder head sealing surface because of the cylinder head rather than plate-like component is stiffer in the radial direction than that of the combustion chamber receiving, more tubular area of the engine block.
Der kritischste Bereich einer Zylinderkopfdichtung ist derjenige, mit dem um einen Brennraum herum gegen den Durchtritt von Brenngasen abgedichtet wird; in diesem den Brennraum bzw. eine Brennraum-Durchgangsöffnung der Zylinderkopfdichtung ringförmig umschließenden Bereich erfolgt die Abdichtung üblicherweise mit einem ringförmigen sogenannten Brennraum-Dichtelement, sei es eine ringförmige Sicke einer Metallage einer Zylinderkopfdichtung und/oder ein die Brennraum-Durchgangsöffnung ringförmig umgebender Randbereich der Zylinderkopfdichtung, bei dem es sich beispielsweise um einen in die Dichtung eingelegten Metallring oder um eine Randeinfassung der Brennraum-Durchgangsöffnung handeln kann, wobei der Querschnitt dieser Randeinfassung dann z. B. ungefähr einem liegenden U entspricht. Obwohl die von den Zylinderkopfschrauben bewirkten Einspannkräfte bzw. spezifischen Flächenpressungen zwischen der Zylinderkopfdichtung und den Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse im Bereich eines solchen Brennraum-Dichtelements am höchsten sind, besteht aufgrund der vorstehend erwähnten hohen Gasdrücke die Gefahr, daß in den Kontaktbereichen der Zylinderkopfdichtung und der Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse an der Zylinderkopfdichtung und/oder den Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse Verschleiß entsteht, und zwar vor allem aufgrund der vorstehend beschriebenen Querbewegungen des Motorblocks bzw. der Zylinderlaufbuchse relativ zur Zylinderkopfdichtung, wenn ein durch die verschiedenen Bauteile bestimmtes Verhältnis zwischen Querkräften und den in Richtung der Brennraumachse wirkenden, durch den in der entgegengesetzten Richtung wirkenden Gasdruck verminderten Einspannkräfte überschritten wird, und es hat sich gezeigt, daß solche Verschleißerscheinungen nicht nur im Bereich des Brennraum-Dichtelements auftreten können, sondern auch in bezüglich der Brennraumachse radial außerhalb dieses Dichtelements liegenden Bereichen. The most critical area of a cylinder head gasket is the one around which sealed a combustion chamber against the passage of fuel gases becomes; in this the combustion chamber or a combustion chamber passage opening The cylinder head gasket encircles the area Sealing usually with an annular so-called Combustion chamber sealing element, be it an annular bead of a metal layer Cylinder head gasket and / or the combustion chamber through opening is annular surrounding edge area of the cylinder head gasket, which is for example around a metal ring inserted into the seal or around a Edge surround the combustion chamber passage opening can act, the Cross section of this border then z. B. approximately a lying U equivalent. Although the clamping forces caused by the cylinder head bolts or specific surface pressures between the cylinder head gasket and the sealing surfaces of the cylinder head and engine block or cylinder liner in the The area of such a combustion chamber sealing element is the highest due to the high gas pressures mentioned above, the risk that in the Contact areas of the cylinder head gasket and the sealing surfaces of Cylinder head and engine block or cylinder liner on the cylinder head gasket and / or the sealing surfaces of the cylinder head and engine block or Cylinder liner wear occurs mainly because of the above described transverse movements of the engine block or the cylinder liner relative to the cylinder head gasket when one through the various components certain relationship between shear forces and those in the direction of Combustion chamber axis acting through that in the opposite direction acting gas pressure reduced clamping forces is exceeded, and it has shown that such wear and tear not only in the area of Combustion chamber sealing element can occur, but also in terms of Combustion chamber axis lying radially outside of this sealing element.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, dieses Reibverschleißrisiko zu vermindern, und zwar auf eine solche Weise, daß es auch möglich ist, die grundsätzliche, von herkömmlichen Motoren her bekannte "flache" Gestaltung des Zylinderkopfs beizubehalten - bei vielen herkömmlichen Motoren nimmt der Zylinderkopf, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, keinen oder nur einen ganz geringfügigen Teil des Brennraums auf. The invention was based on the problem of this risk of fretting reduce, in such a way that it is also possible to reduce the basic "flat" design of the To maintain the cylinder head - for many conventional engines, the Cylinder head, when the piston is at top dead center, none or only a very small part of the combustion chamber.
Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Motor so gestaltet wird, daß bei sich in seinem oberen Totpunkt befindlichem Kolben ein erheblicher Teil des Brennraums in einem zusätzlich zur Zylinderkopfdichtung zwischen Motorblock und Zylinderkopf angeordneten Distanzelement ausgebildet ist und der oberste Kolbenring des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens auf dem Niveau der Dichtfläche des Motorblocks bzw. der zugehörigen Zylinderlaufbuchse liegt oder möglichst wenig und insbesondere nur ganz geringfügig (im Vergleich zu den geschilderten bekannten Motoren) unterhalb des Niveaus dieser Dichtfläche, was sich selbst bei gleicher Gestaltung des Kolbens wie bei einem bekannten Motor durch eine entsprechende Bemessung des Pleuels oder eine entsprechende Lageranordnung für die Kurbelwelle erreichen läßt, wobei das Distanzelement gerade im Hinblick auf die in den in Rede stehenden Motoren herrschenden hohen Zünddrücke bzw. Verdichtungen in radialer Richtung verformungssteifer ist als der an die Motorblock-Dichtfläche angrenzende Bereich des Motorblocks bzw. der Zylinderlaufbuchse; bei einem, wie dies zu bevorzugten ist, plattenförmigen Distanzelement ist es ohne weiteres zu erreichen, daß dieses steifer als Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse ist. Für das Verständnis des Grundkonzepts der erfindungsgemäßen Lösung ist zu beachten, daß bei einem herkömmlichen Motor derjenige, vom Motorblock bzw. der Zylinderlaufbuchse gebildete Teil der Brennraumumfangsfläche, welcher über dem obersten Kolbenring liegt, der vorstehend geschilderten radialen Druckbeaufschlagung unterliegt und bei einem erfindungsgemäßen Motor durch den Einsatz des Distanzelements gegenüber herkömmlichen Motoren gerade in derjenigen Phase des Kolbenhubs erheblich vermindert, nämlich verkürzt wird, in der im Brennraum der höchste Gasdruck auftritt. Die Erfindung muß also nicht zu einer Schwächung des Kolbens zwischen der seinen obersten Kolbenring aufnehmenden Nut und der Oberkante der Kolbenumfangsfläche führen, aber auch nicht zu einer Veränderung der herkömmlichen "flachen" Gestaltung des Zylinderkopfs oder zu einer Vergrößerung des unerwünschten sogenannten Schadraums, d. h. desjenigen Brennraumvolumens, welches zwischen dem obersten Kolbenring und dem Zylinderkopf verbleibt, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet. The basic idea of the solution to this problem according to the invention is therein see that the engine is designed so that in its upper Piston located dead center a significant part of the combustion chamber in one in addition to the cylinder head gasket between the engine block and the cylinder head arranged spacer is formed and the top piston ring of the piston located at its top dead center at the level of Sealing surface of the engine block or the associated cylinder liner is or as little as possible and in particular only very slightly (compared to the known engines described) below the level of these Sealing surface, which is even with the same design of the piston as one known engine by a corresponding design of the connecting rod or a corresponding bearing arrangement for the crankshaft can be reached, the Spacer especially with regard to the motors in question prevailing high ignition pressures or compression in the radial direction is more rigid than that adjacent to the engine block sealing surface Area of the engine block or the cylinder liner; at one like this too is preferred, plate-shaped spacer, it is easy to achieve that this is stiffer than the engine block or cylinder liner. For understanding of the basic concept of the solution according to the invention is too note that with a conventional engine, the one from the engine block or the cylinder liner formed part of the combustion chamber circumferential surface, which lies above the uppermost piston ring, the one described above subject to radial pressure and in an inventive Motor through the use of the spacer compared to conventional Engines significantly reduced, especially in that phase of the piston stroke, namely shortened, in which the highest gas pressure occurs in the combustion chamber. The Invention does not have to weaken the piston between the its top piston ring receiving groove and the top edge of the Piston circumferential surface, but also not a change in conventional "flat" design of the cylinder head or to a Enlargement of the undesirable so-called harmful space, d. H. of that Combustion chamber volume, which is between the top piston ring and the Cylinder head remains when the piston is at top dead center located.
Konstruktiv läßt sich das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung insbesondere durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 verwirklichen, wobei darauf hinzuweisen ist, daß wegen des geringen axialen Spiels des Kolbenrings in der ihn haltenden Ringnut diejenigen Unterschiede vernachlässigt werden können, welche sich daraus ergeben, daß man beim Messen der Abstände A und B nicht vom obersten Kolbenring ausgeht, sondern von der oberen Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden Kolbenringnut. Da die herkömmlichen, heutzutage so gut wie ausschließlich metallischen Zylinderkopfdichtungen Dicken bis ca. 1,5 mm aufweisen, liegt die Mindestdicke des erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Distanzelements also deutlich über der Dicke bekannter metallischer Zylinderkopfdichtungen, ganz abgesehen davon, daß bei der Realisierung der Erfindung in den allermeisten Fällen zwischen dem Distanzelement einerseits und dem Motorblock bzw. dem Zylinderkopf andererseits jeweils eine Dichtung eingespannt sein wird. Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich des weiteren, daß die gestellte Aufgabe durch die Erfindung um so vollständiger gelöst wird, je größer der Flächenanteil des Distanzelements an der zwischen Zylinderkopf-Dichtfläche und oberstem Kolbenring des sich in seinem oberen Totpunkt befindlichen Kolbens liegenden Brennraum-Umfangsfläche und insbesondere der gesamten, über diesem Kolbenring liegenden Brennraum-Umfangsfläche ist, und dieser Flächenanteil kann durchaus 80-90% betragen (wiederum bei sich in seinem oberen Totpunkt befindlichem Kolben). The basic principle of the present invention can be constructed realize in particular by the measures according to claim 1, being on it It should be noted that because of the small axial play of the piston ring in the ring groove holding him those differences can be neglected which result from the fact that when measuring distances A and B not from the top piston ring, but from the top side wall the piston ring groove holding this piston ring. Since the conventional, Nowadays, almost exclusively thicknesses of metallic cylinder head gaskets up to about 1.5 mm, the minimum thickness of the invention is Use spacer element well known above the thickness metallic cylinder head gaskets, not to mention that the Realization of the invention in the vast majority of cases between the Spacer on the one hand and the engine block or the cylinder head on the other a seal will be clamped in each case. From the above Explanations furthermore result that the object set by the invention the larger the proportion of the area, the more completely is solved Spacer on the between the cylinder head sealing surface and the top piston ring of the piston located in its top dead center Combustion chamber circumferential surface and in particular the entire area above this piston ring lying combustion chamber circumferential surface, and this area portion can amount to 80-90% (again at top dead center piston).
Obwohl das Distanzelement im allgemeinen ein einstückiges Teil sein wird, kann es natürlich auch mehrteilig sein und z. B. aus mehreren Lagen bestehen, welche in Richtung der Brennraumachse aufeinandergeschichtet sind, so daß sich diese Lagen des Distanzelements z. B. durch Stanzen aus einem Blech herstellen lassen. Although the spacer will generally be one piece, it can of course also be in several parts and z. B. from several layers exist, which are stacked in the direction of the combustion chamber axis, so that these layers of the spacer z. B. by punching from a Have sheet metal manufactured.
Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem zwischen Motorblock und Zylinderkopf eingefügten Ringelement ergibt sich aus der US-A-2 760 472; bei dem Ringelement handelt es sich um einen Schallabsorber aus porösem Werkstoff, wie z. B. porösem, gesintertem Metallpulver, so daß dieses Ringelement nicht nur einem völlig anderen Zweck dient, sondern es liegt auch auf der Hand, daß dieses Ringelement nicht besonders verformungssteif sein darf, weil es sonst seine Funktion als Schallabsorber nicht erfüllen könnte; infolgedessen ließe sich dieses Ringelement in Motoren mit hohen Zünddrücken bzw. einer hohen Verdichtung nicht einsetzen. A reciprocating internal combustion engine with one between the engine block and Cylinder head inserted ring element results from US-A-2 760 472; in which Ring element is a sound absorber made of porous material, such as B. porous, sintered metal powder, so that this ring element is not only serves a completely different purpose, but it is also obvious that this ring element must not be particularly rigid, because otherwise it could not fulfill its function as a sound absorber; as a result this ring element in engines with high ignition pressures or high ones Do not use compression.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäß eingesetzte Distanzelement ohne weiteres so ausgebildet werden, daß es um den Brennraum herum in radialer Richtung verformungssteifer ist als der den Brennraum umgebende obere Bereich eines Motorblocks bzw. einer Zylinderlaufbuchse; ferner führen die auf den Zylinderkopf in axialer Richtung nach oben wirkenden Gasdruckkräfte zu viel geringeren (radial nach innen gerichteten) Querbewegungen als die auf die Brennraumumfangsfläche einwirkenden, radial nach außen gerichteten Druckkräfte, so daß beim Einsatz des erfindungsgemäßen Distanzelements die vorstehend geschilderten Probleme herkömmlicher Motoren nicht in den Dichtflächenbereich zwischen Zylinderkopf und Distanzelement verlagert werden. As already mentioned, the spacer element used according to the invention can can be easily formed so that it around the combustion chamber in radial direction is more rigid than the one surrounding the combustion chamber upper area of an engine block or a cylinder liner; furthermore lead those acting on the cylinder head in the axial direction upwards Gas pressure forces to much less (radially inward) transverse movements than those acting on the combustion chamber peripheral surface, radially outwards directed pressure forces, so that when using the invention Spacer not the problems of conventional motors described above in the sealing surface area between the cylinder head and the spacer be relocated.
Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich das Folgende: Um für einen erfindungsgemäßen Motor einen herkömmlichen "flachen" Zylinderkopf verwenden zu können, wird die Motorkonstruktion insbesondere so gestaltet, daß der Brennraum fast vollständig, d. h. zu mindestens 80-90%, im Motorblock (bzw. in der Zylinderlaufbuchse) und im Distanzelement ausgebildet ist (sieht man von Zylinderkopf-Aussparungen für Ventile, Zünd- bzw. Glühkerzen oder Einspritzdüsen ab). Da aber dann, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet, die in radialer Richtung mit Druck beaufschlagte Fläche des Brennraums, soweit sie vom Motorblock bzw. einer Zylinderlaufbuchse gebildet wird, möglichst klein sein soll, wird erfindungsgemäß empfohlen, den Motor so zu gestalten, daß, befindet sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt, höchstens 20% und vorzugsweise höchstens 10% der in radialer Richtung druckbeaufschlagten Fläche des über dem obersten Kolbenring liegenden Brennraums vom Zylinderkopf und vom Motorblock bzw. der Zylinderlaufbuchse gebildet werden, wobei dies für eine radiale Projektion der gesamten Brennraum- Umfangsfläche auf eine Zylinderfläche gilt, welche koaxial mit der Brennraumachse ist und mit der normalerweise zylindrischen Wand der im Distanzelement vorgesehen Öffnung zusammenfällt, da der im Zylinderkopf ausgebildete Teil des Brennraums nicht die Gestalt eines gegebenenfalls kurzen Kreiszylinders haben muß, sondern z. B. kegelstumpfförmig sein oder die Gestalt eines Kugelabschnitts haben kann. The following results from the above explanations: In order for one engine according to the invention a conventional "flat" cylinder head To be able to use, the engine design is especially designed so that the combustion chamber almost completely, d. H. at least 80-90%, in the engine block (or in the cylinder liner) and in the spacer (see one of cylinder head recesses for valves, spark or glow plugs or Injectors). But then when the piston is in its upper Dead center is located, the area of the pressurized in the radial direction Combustion chamber, insofar as it is formed by the engine block or a cylinder liner is to be as small as possible, it is recommended according to the invention, the motor to shape that, the piston is at top dead center, at most 20% and preferably at most 10% of that in the radial direction pressurized area of the top piston ring Combustion chamber from the cylinder head and from the engine block or the cylinder liner are formed, this for a radial projection of the entire combustion chamber Circumferential surface applies to a cylindrical surface, which is coaxial with the Combustion chamber axis and with the normally cylindrical wall in the Spacer provided opening coincides because of that in the cylinder head trained part of the combustion chamber not the shape of a possibly short Circular cylinder must have, but z. B. be frustoconical or shape of a spherical segment can have.
Im Hinblick auf die vorstehend verwendeten Definitionen, in denen auf die Oberkante der Kolbenumfangsfläche Bezug genommen und darauf hingewiesen wird, daß der Zylinderkopf einen Teil der Brennraumumfangsfläche bilden kann, sei ergänzend noch folgendes bemerkt: Die obere Stirnfläche des Kolbens muß nicht eben sein; vielfach ist in dieser Stirnfläche eine Mulde ausgebildet, es sind aber auch Kolben mit in Richtung auf den Zylinderkopf ausgewölbter oberer Stirnfläche bekannt. In diesem zuletzt erwähnten Fall bildet der Zylinderkopf auch dann, wenn er keinen Teil der zylindrischen Brennraumumfangsfläche bildet, einen Teil des Brennraumvolumens, da er eine der Kolbenform entsprechende Mulde bildet. Schließlich muß die Oberkante der Kolbenumfangsfläche nicht exakt einen Kreis bilden, der zur Brennraumachse konzentrisch ist und in einer zu dieser senkrechten Ebene liegt, da geringfügige Abweichungen der Form der Oberkante der Kolbenumfangsfläche von einem solchen Kreis bekannt sind; auch in diesem Fall muß der kleinste Abstand B des obersten Kolbenrings oder gar der oberen Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden Ringnut vom Niveau der Motorblockdichtfläche bzw. der Dichtfläche der Zylinderlaufbuchse gleich oder etwas größer als Null sein, und der Abstand A des obersten Kolbenrings bzw. der besagten Nutseitenwand von der Oberkante der Kolbenumfangsfläche bezieht sich auf das mittlere Niveau dieser Oberkante und vorzugsweise auf deren tiefste Stelle. With regard to the definitions used above, in which to the Top edge of the piston peripheral surface referred to and on it is pointed out that the cylinder head form part of the combustion chamber circumferential surface can, the following should also be noted: The upper face of the Pistons need not be level; there is often a hollow in this end face trained, but there are also pistons in the direction of the cylinder head bulging upper face known. In this last-mentioned case forms the cylinder head even if it is not part of the cylindrical Combustion chamber circumferential surface forms part of the combustion chamber volume, since it is one of the Piston shape forms corresponding trough. Finally, the top of the Do not form a circumferential piston surface exactly a circle to the combustion chamber axis is concentric and lies in a plane perpendicular to this, because slight deviations in the shape of the upper edge of the piston peripheral surface from are known to such a group; even in this case the smallest Distance B of the uppermost piston ring or even the upper side wall of the latter Piston ring retaining ring groove from the level of the engine block sealing surface or Sealing surface of the cylinder liner to be equal to or slightly larger than zero, and the distance A of the uppermost piston ring or said groove side wall from the upper edge of the piston circumferential surface refers to the middle level this upper edge and preferably at its lowest point.
Wenn vorstehend die Dicke des erfindungsgemäßen Distanzelements definiert wurde, ist hierunter stets die Dicke des Distanzelements selbst zu verstehen; diese Dicke schließt also nicht ein die Dicke einer oder mehrerer Dichtungen, welche auf der einen Seite oder beidseits des Distanzelements zwischen diesem und dem Motorblock bzw. dem Zylinderkopf vorgesehen sein können. If the thickness of the spacer element according to the invention is defined above was, this always means the thickness of the spacer itself; this thickness does not include the thickness of one or more seals, which on one side or on both sides of the spacer between this and the engine block or the cylinder head can be provided.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Distanzelement kann aber auch noch für andere Zwecke herangezogen werden, nämlich dadurch, daß in das Distanzelement mindestens ein Funktionselement des Motors und/oder mindestens ein Sensor integriert wird. Bei dem Funktionselement kann es sich insbesondere um eine Einspritzdüse, ein Heizelement oder ein Kühlelement, gegebenenfalls aber auch um ein Ventil, bei dem Sensor insbesondere um einen Temperatur- oder Drucksensor handeln. Die Integration einer Einspritzdüse in das Distanzelement bringt den Vorteil mit sich, daß in der bis zur radial innen angeordneten Einspritzdüse führenden Brennstoffbohrung der Brennstoff vorgewärmt wird, und außerdem erlangt der Konstrukteur durch die Verlagerung der Einspritzdüsen in die Distanzelemente eine sehr viel größere Freiheit bei der Gestaltung des Zylinderkopfs, als dies bei einem Zylinderkopf der Fall ist, der auch die Einspritzdüsen aufnehmen muß. Mit einem in das Distanzelement integrierten Heizelement läßt sich der Brennraum vorheizen, und mit einem in das Distanzelement integrierten Kühlelement kann denjenigen Effekten entgegengewirkt werden, welche unterschiedliche Wärmedehnungen von Zylinderkopf und Motorblock zur Folge haben. Schließlich können mit in die Distanzelemente integrierten Sensoren Betriebsparameter des Motors erfaßt werden, unter anderem auch eine klopfende Verbrennung. The spacer element used according to the invention can also be used for other purposes are used, namely in that in the Spacer element at least one functional element of the engine and / or at least a sensor is integrated. The functional element can in particular an injection nozzle, a heating element or a cooling element, but possibly also a valve, in the sensor in particular a Act temperature or pressure sensor. Integrating an injector into the spacer has the advantage that in the radially inside arranged injector leading fuel hole of the fuel is preheated, and also the designer gains through the relocation the injectors in the spacer elements a much greater freedom the design of the cylinder head than is the case with a cylinder head, which also has to accommodate the injectors. With one in the spacer integrated heating element, the combustion chamber can be preheated, and with an in the spacer integrated cooling element can have those effects counteracting the different thermal expansions of Result in cylinder head and engine block. Finally you can join in Spacer elements integrated sensors recorded operating parameters of the engine knocking combustion.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen. Particularly advantageous developments of the invention result from the attached claims.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen; in diesen zeigen: Further features, advantages and details of the invention result from the following description and the accompanying drawings; in show this:
Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Teil eines herkömmlichen Hubkolben-Verbrennungsmotors; Figure 1 is an axial longitudinal section through part of a conventional reciprocating internal combustion engine.
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Hubkolben- Verbrennungsmotors, bei dem ein oberer Teil des Brennraums im Zylinderkopf ausgebildet ist; Fig. 2 is a representation corresponding to Figure 1 of a reciprocating internal combustion engine, in which an upper part of the combustion chamber is formed in the cylinder head.
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors, und Fig. 3 shows a preferred embodiment of an engine according to the invention, and
Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Motors, bei dem Einspritzdüsen in das Distanzelement integriert sind. Fig. 4 is a diagrammatic representation of a part of an engine according to the invention, in which injection nozzles are integrated in the spacer element.
Die Fig. 1 zeigt Teile eines Motorblocks 10, eines Zylinderkopfs 12, einer Zylinderkopfdichtung 14 und eines Kolbens 16 eines herkömmlichen Hubkolben- Verbrennungsmotors. Die Zylinderkopfdichtung ist mittels nicht dargestellter Zylinderkopfschrauben zwischen einer Dichtfläche 18 des Motorblocks 10 und einer Dichtfläche 20 des Zylinderkopfs 12 eingespannt; diese beiden Dichtflächen sind im wesentlichen eben sowie parallel zueinander und begrenzen den sogenannten Dichtspalt, in dem die Zylinderkopfdichtung 14 angeordnet ist und der durch diese Dichtung abgedichtet werden soll. Bei einem sogenannten Buchsenmotor würde die Dichtfläche 18 ganz oder teilweise von einer oberen Stirnfläche einer Zylinderlaufbuchse gebildet werden. Fig. 1 shows parts of an engine block 10, a cylinder head 12, a cylinder head gasket 14 and a piston 16 of a conventional reciprocating piston internal combustion engine. The cylinder head gasket is clamped between a sealing surface 18 of the engine block 10 and a sealing surface 20 of the cylinder head 12 by means of cylinder head screws, not shown; these two sealing surfaces are essentially flat and parallel to one another and limit the so-called sealing gap in which the cylinder head gasket 14 is arranged and which is to be sealed by this gasket. In a so-called bushing engine, the sealing surface 18 would be formed entirely or partially by an upper end face of a cylinder liner.
Ein im wesentlichen kreiszylindrischer Brennraum 22 ist bei dem bekannten Motor - sieht man vom Beitrag der Zylinderkopfdichtung 14 ab - im Motorblock 10 ausgebildet; die Brennraumachse wurde mit 22a bezeichnet, die zumindest im wesentlichen kreiszylindrische Umfangswand oder Umfangsfläche des Brennraums mit 22b. Der in Fig. 1 in seinem oberen Totpunkt dargestellte Kolben 16 ist in üblicher Weise mit einem obersten Kolbenring 24 (Abdichtring) sowie zwei weiteren Kolbenringen 26 und 28 versehen, welche in Ringnuten 24a bzw. 26a bzw. 28a des Kolbens gehalten sind und federnd sowie abdichtend gegen die Brennraum-Umfangsfläche 22b anliegen. Eine dem Querschnitt des Brennraums 22 entsprechende und zur Brennraumachse 22a konzentrische Brennraumöffnung der Zylinderkopfdichtung wurde mit 14a bezeichnet, und in diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß alle Zeichnungsfiguren die Zylinderkopfdichtungen nur schematisch darstellen - in der Realität haben diese Dichtungen nicht einfach die Gestalt einer einfachen Platte mit zueinander parallelen Hauptoberflächen, und diesbezüglich wird auf die eingangs gemachten Bemerkungen zur Gestaltung von Zylinderkopfdichtungen verwiesen. Der Vollständigkeit halber wurden die Kolbenumfangsfläche mit 16a und die obere Kolbenstirnfläche mit 16b bezeichnet. Die Zeichnungsfiguren zeigen schließlich noch ein Ventil 30 (Ein- oder Auslaßventil), einen Ventilsitz 32 und eine Ventilführung 34. An essentially circular cylindrical combustion chamber 22 is formed in the known engine - apart from the contribution of the cylinder head gasket 14 - in the engine block 10 ; the combustion chamber axis was designated 22 a, the at least substantially circular cylindrical peripheral wall or peripheral surface of the combustion chamber 22 b. The piston 16 shown in Fig. 1 in its top dead center is provided in the usual way with an uppermost piston ring 24 (sealing ring) and two further piston rings 26 and 28 which are held in annular grooves 24 a and 26 a and 28 a of the piston and bear resiliently and sealingly against the combustion chamber peripheral surface 22 b. A combustion chamber opening of the cylinder head gasket corresponding to the cross section of the combustion chamber 22 and concentric with the combustion chamber axis 22 a was designated 14 a, and in this connection it should be noted that all drawing figures only represent the cylinder head gaskets schematically - in reality these gaskets do not simply have the shape of a simple plate with main surfaces parallel to each other, and in this regard reference is made to the comments made at the outset on the design of cylinder head gaskets. For the sake of completeness, the piston circumferential surface was designated 16 a and the upper piston end surface 16 b. Finally, the drawing figures show a valve 30 (inlet or outlet valve), a valve seat 32 and a valve guide 34 .
Bei dem in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Motor (es soll sich um einen Dieselmotor handeln) haben die im Motorbetrieb im Brennraum 22 auftretenden hohen Gasdrücke (der sogenannte Zünddruck bzw. der im Brennraum auftretende maximale Gasdruck stellt sich dann ein, wenn sich der Kolben ungefähr in seinem oberen Totpunkt befindet, der maximale Gasdruck beispielsweise bei einem Kurbelwellendrehwinkel von ca. 5° nach Erreichen des oberen Totpunkts) folgende Auswirkungen: Oberhalb des obersten Kolbenrings 24 wird die Brennraum-Umfangsfläche 22b mit bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach außen gerichteten radialen Druckkräften FR beaufschlagt, die den Brennraum 22 nach oben begrenzende Fläche des Zylinderkopfs 12 hingegen mit in Richtung der Brennraumachse 22a nach oben gerichteten Druckkräften (Normalkräften) FN. Die hohen radialen Druckkräfte FR bewirken eine radiale Aufweitung der Brennraum-Umfangswand und damit der Brennraum- Umfangsfläche 22b des Motorblocks 10, damit aber auch bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach außen gerichtete Querbewegungen mindestens eines Bereichs der Motorblock-Dichtfläche 18, welcher den Brennraum 22 ringförmig umgibt. Die Normalkräfte FN führen zu einer Biegebeanspruchung des Zylinderkopfs 12 zwischen den nicht dargestellten Zylinderkopfschrauben dergestalt, daß sich dessen Unterseite nach oben etwas auswölbt, was bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach innen gerichtete Querbewegungen mindestens eines Bereichs der Zylinderkopf-Dichtfläche 20, welcher den Brennraum 22 ringförmig umgibt, zur Folge hat. Die Querbewegungen der beiden Dichtflächen 18 und 20 verlaufen also gegenläufig. Solche Querbewegungen der beiden Dichtflächen 18 und 20 relativ zueinander treten insbesondere zu Zeiten der höchsten Gasdrücke auf, wo die spezifischen Flächenpressungen zwischen den beiden Dichtflächen und der Zylinderkopfdichtung 14 ein Minimum erreichen, so daß die Haftreibung zwischen den Dichtflächen 18 und 20 und der Zylinderkopfdichtung überwunden werden kann. Die geschilderten Verhältnisse bei der Druckbeaufschlagung des Zylinderkopfs und der Brennraum-Umfangsfläche 22b (und zwar oberhalb des obersten Kolbenrings 24) erhöhen also das Risiko eines Reibverschleißes an der Zylinderkopfdichtung 14 sowie den Dichtflächen 18 und 20 von Motorblock und Zylinderkopf. In the conventional engine shown in Fig. 1 (it is supposed to be a diesel engine), the high gas pressures occurring in engine operation in the combustion chamber 22 (the so-called ignition pressure or the maximum gas pressure occurring in the combustion chamber occurs when the piston is approximately in its top dead center, the maximum gas pressure, for example at a crankshaft rotation angle of approximately 5 ° after reaching top dead center), has the following effects: Above the top piston ring 24 , the combustion chamber circumferential surface 22 b becomes radially outward with respect to the combustion chamber axis 22 a Compressed forces F R , the surface of the cylinder head 12 delimiting the combustion chamber 22 upwards, however, with pressure forces (normal forces) F N directed upwards in the direction of the combustion chamber axis 22 a. The high radial pressure forces F R cause a radial widening of the combustion chamber peripheral wall and thus the combustion chamber peripheral surface 22 b of the engine block 10 , but thus also with respect to the combustion chamber axis 22 a radially outward transverse movements of at least a portion of the engine block sealing surface 18 , which the Combustion chamber 22 surrounds in a ring. The normal forces F N lead to a bending stress of the cylinder head 12 between the cylinder head screws, not shown, in such a way that the underside bulges upwards slightly, which with respect to the combustion chamber axis 22 a radially inward transverse movements of at least a portion of the cylinder head sealing surface 20 , which the combustion chamber 22 surrounds in a ring. The transverse movements of the two sealing surfaces 18 and 20 therefore run in opposite directions. Such transverse movements of the two sealing surfaces 18 and 20 relative to one another occur in particular at times of the highest gas pressures, where the specific surface pressures between the two sealing surfaces and the cylinder head gasket 14 reach a minimum, so that the static friction between the sealing surfaces 18 and 20 and the cylinder head gasket is overcome can. The conditions described when pressurizing the cylinder head and the combustion chamber circumferential surface 22 b (above the uppermost piston ring 24 ) thus increase the risk of frictional wear on the cylinder head gasket 14 and the sealing surfaces 18 and 20 of the engine block and cylinder head.
In den Fig. 2 bis 4 wurden, soweit möglich, dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, und die Fig. 2 bis 4 werden im folgenden deshalb auch nur insoweit beschrieben, als sie von der Darstellung in Fig. 1 abweichen. 2 to 4 were in the Fig., To the extent possible, the same reference numerals as in Fig. 1 is used, and Figs. 2 to 4 will be also described only in so far in the following, therefore, when they vary from the illustration in FIG. 1.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor ist ein Teil 22b' der Brennraum-Umfangsfläche im Zylinderkopf 12 ausgebildet, der andere, restliche Teil 22b'' der Brennraum-Umfangsfläche im Motorblock 10; zu diesem Zweck ist der Zylinderkopf mit einer topfförmigen Ausnehmung 122 versehen, deren Umfangsfläche 22b' kreiszylindrisch und zur Brennraumachse 22a konzentrisch ist. Außerdem wurde der Motor (z. B. durch im Vergleich zum Motor gemäß Fig. 1 Höherlegen der Kurbelwelle) so gestaltet, daß der Kolben 16, wenn er sich in seinem oberen Totpunkt befindet, mit dem (oben liegenden) Boden der Ausnehmung 122 nur einen ganz geringen Spalt (Spaltbreite z. B. nur 1 mm) bildet, um den sogenannten Schadraum so klein wie möglich zu halten. Anders als bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Motor überläuft bei dem in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Motor der Kolben 16 also die Zylinderkopfdichtung 14 auf seinem Weg in seinen oberen Totpunkt. Andererseits liegt der oberste Kolbenring 24 (vorzugsweise auch die obere Seitenwand der diesen Kolbenring haltenden Ringnut 24a) noch, wenn auch ganz geringfügig, unterhalb der von der Motorblock-Dichtfläche 18 definierten Ebene, wenn sich der Kolben 16 in seinem oberen Totpunkt befindet. Der Abstand der Oberseite des Kolbenrings 24 von der Oberkante 16a' der Kolbenumfangsfläche 16a wurde mit A bezeichnet, der Abstand der Oberseite des Kolbenrings 24 vom Niveau der Motorblock-Dichtfläche 18 (bei sich in seinem oberen Totpunkt befindendem Kolben) mit B; vernachlässigt man das in allen Figuren übertrieben groß dargestellte axiale Spiel (typischerweise nur ca. 0,1 mm) des Kolbenrings 24 in der Ringnut 24a oder geht man davon aus, daß bei einer Bewegung des Kolbens nach oben der Kolbenring 24 auf der unteren Seitenwand der Ringnut 24a aufliegt, so ist bei sich in seinem oberen Totpunkt befindendem Kolben der Abstand der unteren Seitenwand der Ringnut 24a vom Niveau der Motorblock- Dichtfläche 18 also gleich dem Maß B zuzüglich der Dicke bzw. axialen Breite des Kolbenrings 24. Um Fertigungstoleranzen nicht in Betracht ziehen zu müssen, sollte das Maß B immer etwas größer als Null, jedoch so klein wie möglich sein, höchstens ca. 1 mm. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor ist die axiale Tiefe der im Zylinderkopf 12 hergestellten Ausnehmung 122 also ungefähr (unter Vernachlässigung der Breite des Spalts zwischen Zylinderkopf und Stirnfläche des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens) gleich dem Abstand des Kolbenrings 24 von der oberen Kolbenstirnfläche 16b abzüglich der Dicke der Zylinderkopfdichtung 14, wenn sich der oberste Kolbenring im oberen Totpunkt des Kolbens auf dem Niveau der Motorblock-Dichtfläche 18 befindet; ferner ist das Volumen des sogenannten Schadraums (das oberhalb des obersten Kolbenrings 24 verbleibende freie Brennraumvolumen, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet) bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor nicht größer als bei dem bekannten Motor gemäß Fig. 1, obwohl bei dem Motor nach Fig. 2 ein nicht unbeträchtlicher Teil des Brennraums im Zylinderkopf liegt. In the engine shown in FIG. 2, part 22 b 'of the combustion chamber circumferential surface is formed in the cylinder head 12 , the other remaining part 22 b''of the combustion chamber circumferential surface in the engine block 10 ; For this purpose, the cylinder head is provided with a cup-shaped recess 122 , the peripheral surface 22 b 'of which is circular-cylindrical and concentric with the combustion chamber axis 22 a. In addition, the engine (e.g., by raising the crankshaft as compared to the engine of FIG. 1) was designed so that the piston 16 , when it is at its top dead center, only with the (top) bottom of the recess 122 forms a very small gap (gap width e.g. only 1 mm) in order to keep the so-called clearance as small as possible. In contrast to the known engine shown in FIG. 1, in the engine according to the invention shown in FIG. 2 the piston 16 thus overflows the cylinder head gasket 14 on its way to its top dead center. On the other hand, the uppermost piston ring 24 (preferably also the upper side wall of the annular groove 24 a holding this piston ring) is still, albeit very slightly, below the plane defined by the engine block sealing surface 18 when the piston 16 is at its top dead center. The distance of the upper side of the piston ring 24 from the upper edge 16 a 'of the piston peripheral surface 16 a was designated A, the distance of the upper side of the piston ring 24 from the level of the engine block sealing surface 18 (with the piston at its top dead center) B; one neglects the exaggeratedly large axial play in all figures (typically only about 0.1 mm) of the piston ring 24 in the annular groove 24 a or one assumes that when the piston moves upwards the piston ring 24 on the lower side wall the annular groove 24 a rests, the distance of the lower side wall of the annular groove 24 a from the level of the engine block sealing surface 18 is thus equal to dimension B plus the thickness or axial width of the piston ring 24 when the piston is in its top dead center. In order not to have to take manufacturing tolerances into account, dimension B should always be slightly larger than zero, but as small as possible, at most approx. 1 mm. In the engine shown in Fig. 2, the axial depth of the recess 122 made in the cylinder head 12 is approximately (neglecting the width of the gap between the cylinder head and the end face of the piston located at its top dead center) equal to the distance of the piston ring 24 from the top Piston face 16 b minus the thickness of the cylinder head gasket 14 when the top piston ring is at the top dead center of the piston at the level of the engine block sealing surface 18 ; furthermore, the volume of the so-called dead space (the free combustion chamber volume remaining above the uppermost piston ring 24 when the piston is at its top dead center) in the engine shown in FIG. 2 is not greater than in the known engine according to FIG. 1, although at the engine of FIG. 2 is a not inconsiderable part of the combustion chamber in the cylinder head.
Da, wie bereits erwähnt, der im Brennraum herrschende Gasdruck sein Maximum kurz nach Erreichen des oberen Totpunkts durch den Kolben 16 erreicht, ist nur ein minimaler Teil des vom Motorblock 10 gebildeten Umfangsflächenabschnitts 22b'' der Brennraum-Umfangsfläche 22b den besonders hohen Gasdrücken ausgesetzt, welche im Brennraum 22 herrschen, wenn sich der Kolben 16 in seinem oberen Totpunkt oder kurz unterhalb dieser Position befindet, da in diesen Positionen des Kolbens der Brennraum 22 ganz kurz unterhalb der Ebene der Motorblock-Dichtfläche 18 durch den obersten Kolbenring 24 nach unten abgedichtet wird. Infolgedessen wird die von diesen hohen Gasdrücken bewirkte radiale Aufweitung des Brennraums, soweit er im Motorblock 10 des in Fig. 2 dargestellten Motors ausgebildet ist, im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Motor erheblich reduziert, was mit einer entsprechenden Reduktion der radial nach außen gerichteten Querbewegungen der Motorblock-Dichtfläche 18 einhergeht. Gleichzeitig werden durch die Radialkräfte FR, welche auf den von der Ausnehmung 122 gebildeten Umfangswandabschnitt 22b' der Brennraum-Umfangsfläche 22b einwirken, die vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen, bezüglich der Brennraumachse 22a radial nach innen gerichteten Querbewegungen der Zylinderkopf-Dichtfläche 20 zumindest teilweise kompensiert. Since, as already mentioned, the gas pressure prevailing in the combustion chamber reaches its maximum shortly after the top dead center is reached by the piston 16 , only a minimal part of the peripheral surface section 22 b ″ formed by the engine block 10 of the combustion chamber peripheral surface 22 b is the particularly high gas pressures exposed, which prevail in the combustion chamber 22 when the piston 16 is at its top dead center or just below this position, since in these positions of the piston the combustion chamber 22 is very short below the plane of the engine block sealing surface 18 through the uppermost piston ring 24 downwards is sealed. As a result, the radial expansion of the combustion chamber caused by these high gas pressures, insofar as it is formed in the engine block 10 of the engine shown in FIG. 2, is considerably reduced in comparison with the known engine shown in FIG. 1, which is accompanied by a corresponding reduction in the radial outside transverse movements of the engine block sealing surface 18 goes hand in hand. At the same time, which, with respect to the combustion chamber axis 22 a radially inwardly directed transverse movements of the cylinder head as described above in connection with Fig. 1 are the radial forces F R, that of the combustion chamber peripheral surface acting on the space defined by the recess 122 peripheral wall portion 22 b '22 b Sealing surface 20 at least partially compensated.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors ist der Zylinderkopf 12 gleich ausgebildet wie bei dem bekannten Motor nach Fig. 1, er könnte aber auch eine der Ausnehmung 122 des Motors nach Fig. 2 entsprechende Ausnehmung aufweisen, allerdings mit deutlich geringerer axialer Höhe als bei dem Motor gemäß Fig. 2. Der in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Motor hat ein plattenförmiges, zwischen den Zylinderkopf 12 und den Motorblock 10 eingefügtes Distanzelement 200 mit einer dem Brennraumquerschnitt entsprechenden und zur Brennraumachse 22a konzentrischen Brennraumöffnung 202, in deren Bereich die Dicke des Distanzelements gleich dem Maß D ist, welches z. B. 4 mm beträgt. Der Motorblock 10 und der Kolben 16 sowie dessen Kurbeltrieb sind genauso ausgebildet wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Motor. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind zwei Dichtungen 14 und 14' zu beiden Seiten des Distanzelements 200 eingebaut. In the embodiment of an engine according to the invention shown in FIG. 3, the cylinder head 12 is of the same design as in the known engine according to FIG. 1, but it could also have a recess corresponding to the recess 122 of the engine according to FIG. 2, but with a significantly smaller axial height than in the motor according to Fig. 2. the motor shown in Fig. 3 according to the invention has a plate-like, between the cylinder head 12 and the engine block 10 inserted spacer element 200 with a corresponding and the combustion chamber cross-section to the combustion chamber axis 22 a concentric combustion chamber opening 202, in the region of which the thickness of the spacer is equal to the dimension D, which, for. B. is 4 mm. The engine block 10 and the piston 16 and its crank mechanism are configured in exactly the same way as in the engine shown in FIG. 2. In the embodiment according to FIG. 3, two seals 14 and 14 'are installed on both sides of the spacer element 200 .
Vergleicht man die Fig. 2 und 3, so erkennt man, daß bei dem Motor nach Fig. 3 der Zylinderkopf des Motors nach Fig. 2 durch den in Fig. 3 dargestellten Zylinderkopf, die Dichtung 14' und das Distanzelement 200 ersetzt wurden unter Beibehaltung der sonstigen Abmessungsverhältnisse, so daß bei dem Motor nach Fig. 3 für die Maße A und B dasselbe gilt wie für den Motor gemäß Fig. 2. Comparing FIGS. 2 and 3, it can be seen that in the engine according to FIG. 3 the cylinder head of the engine according to FIG. 2 has been replaced by the cylinder head shown in FIG. 3, the seal 14 'and the spacer element 200 while maintaining it of the other dimensional relationships, so that the same applies to dimensions A and B in the motor according to FIG. 3 as for the motor according to FIG. 2.
Bei dem Motor nach Fig. 3 ist davon auszugehen, daß das plattenförmige metallische oder keramische Distanzelement 200 in bezüglich der Brennraumachse 22a radialer Richtung sehr viel verformungssteifer ist als der vom Motorblock oder einer Zylinderlaufbuchse gebildete Teil der Brennraum- Umfangswand. Im Rahmen der Erfindung soll unter einem keramischen Werkstoff dasjenige verstanden werden, was der Fachmann üblicherweise unter Keramikwerkstoffen versteht, beispielsweise also nicht Glas. In the engine according to Fig. 3 it can be assumed that the plate-shaped metallic or ceramic spacer element 200 in relation to the combustion chamber axis 22 a radial direction very much deformation-rigid than that formed by the engine block or cylinder liner of the combustion chamber peripheral wall. In the context of the invention, a ceramic material is to be understood as that which the person skilled in the art usually understands as ceramic materials, for example not glass.
Wie vorstehend bereits dargelegt wurde, soll das Maß B möglichst klein sein; als für die meisten Fälle der Praxis bedeutsame Obergrenze für das Maß B hat sich der Werkt A/2 herausgestellt, obwohl kleinere Werte bevorzugt werden, d. h. Bruchteile des Maßes A im Bereich A/3 bis insbesondere A/8. In absoluten Maßen bedeutet dies, daß Ausführungsformen bevorzugt werden, bei denen der Abstand B maximal 3 mm, bevorzugt maximal 2 mm und noch mehr bevorzugt maximal 1 mm beträgt. As already explained above, dimension B should be as small as possible; than the upper limit for dimension B that is significant for most cases in practice Work A / 2 turned out, although smaller values are preferred, d. H. Fractions of dimension A in the range A / 3 to in particular A / 8. In In absolute terms, this means that embodiments are preferred at which the distance B is at most 3 mm, preferably at most 2 mm and more more preferably at most 1 mm.
Die in Fig. 4 gezeigte Konstruktion unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 nur darin, daß in das Distanzelement 200' Funktionselemente integriert sind, weshalb in Fig. 4 dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet wurden und im folgenden nur diese Funktionselemente beschrieben werden. The construction shown in FIG. 4 differs from that of FIG. 3 only in that functional elements are integrated in the spacer element 200 ', which is why the same reference numerals as in FIG. 3 have been used in FIG. 4 and only these functional elements are described below ,
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform weist das Distanzelement 200' in bezüglich der Brennraumachse radialer Richtung verlaufende Bohrungen auf, von denen jede einen Brennstoffkanal 300 bildet; in denjenigen Bereich eines jeden dieser Brennstoffkanäle, welcher in die Brennraumöffnung 202' des Distanzelements 200' mündet, ist eine Einspritzdüse 302 eingesetzt, welche nur schematisch dargestellt wurde, da derartige Brennstoff-Einspritzdüsen bekannt sind. An das radial äußere Ende eines jeden Brennstoffkanals 300 wird eine nicht dargestellte Brennstoffleitung angeschlossen, z. B. über ein nicht dargestelltes Gewinde des Brennstoffkanals - ebenso kann die Einspritzdüse 302 über ein nicht dargestelltes Gewinde des Brennstoffkanals in diesem festgelegt sein. Natürlich müssen die Brennstoffkanäle 300 und die Einspritzdüsen 302 nicht radial orientiert sein, sie könnten beispielsweise bezüglich der Brennraumöffnung 202' auch nahezu tangential ausgerichtet sein, um einen Drall des eingespritzten Brennstoffs zu erzeugen. In the embodiment shown in FIG. 4, the spacer element 200 'has bores running in the radial direction with respect to the combustion chamber axis, each of which forms a fuel channel 300 ; In that area of each of these fuel channels, which opens into the combustion chamber opening 202 'of the spacer element 200 ', an injection nozzle 302 is inserted, which has only been shown schematically, since such fuel injection nozzles are known. At the radially outer end of each fuel channel 300 , a fuel line, not shown, is connected, for. B. via a thread of the fuel channel, not shown - the injector 302 can also be fixed in this via a thread of the fuel channel, not shown. Of course, the fuel channels 300 and the injection nozzles 302 do not have to be oriented radially, they could, for example, also be oriented almost tangentially with respect to the combustion chamber opening 202 ′ in order to generate a swirl of the injected fuel.
Im Hinblick auf die US-A-2 760 472 sei noch erwähnt, daß das
erfindungsgemäße Distanzelement vorzugsweise mindestens eines der folgenden Merkmale
aufweist:
- a) der Werkstoff des Distanzelements ist zumindest im wesentlichen porenfrei;
- b) das Distanzelement ist ein Gußteil;
- c) das Distanzelement ist ein durch zerspanende Bearbeitung erzeugtes Formteil;
- d) das Distanzelement ist ein Stanzteil.
- a) the material of the spacer element is at least essentially pore-free;
- b) the spacer is a casting;
- c) the spacer element is a molded part produced by machining;
- d) the spacer is a stamped part.
Die vorstehenden Merkmale sollen auch auf den Fall zutreffen, daß der Körper des eigentlichen Distanzelements mehrteilig ist. The above features are also intended to apply to the case that the body of the actual spacer is in several parts.
Claims (21)
0 < B ≤ A/2,
und daß um den Brennraum (22) herum die in Richtung der Brennraumachse (22a) gemessene Dicke D des Distanzelements (200) mindestens 2 mm beträgt und so bemessen ist, daß - in einer bezüglich der Brennraumachse (22a) radialen Projektion des unterhalb der Zylinderkopf- Dichtfläche (20) und über dem obersten Kolbenring (24) des sich in seinem oberen Totpunkt befindenden Kolbens (16) liegenden Teils FB der gesamten Brennraum-Umfangsfläche auf eine mit der Brennraumachse koaxiale und mit der Wand der Distanzelement-Öffnung (202) zusammenfallende Zylinderfläche - die Fläche FD der Wand der Distanzelement- Öffnung (202) mindestens 40% des Brennraum-Umfangsflächenteils FB beträgt. 1. reciprocating piston internal combustion engine with an engine block and at least one cylinder head, which have mutually facing and mutually parallel sealing surfaces, and with at least one combustion chamber, in the combustion chamber area encompassed by the engine block, a piston by means of piston rings on a combustion chamber circumferential surface along a combustion chamber axis between an upper one and a bottom dead center is slidably guided, and with at least one cylinder head gasket inserted between the engine block and cylinder head, the top piston ring being at a distance A from the top edge of the piston peripheral surface and at top dead center of the piston the top piston ring is at a distance B below that of the engine block sealing surface defined plane is characterized in that for reducing an applied in the motor operation by the maximum occurring in the combustion chamber (22) gas pressure, comprised by the engine block (10) portion of the combustion chamber circumferential che is inserted (22 b) between the engine block (10) and cylinder head (12) an upper and a lower sealing surface exhibiting spacer element (200) made of metal or ceramic, in which a forming a part of the combustion chamber (22) opening (202) is located and which is more rigid around the combustion chamber ( 22 ) in the radial direction with respect to the combustion chamber axis than the motor area surrounding the combustion chamber in the engine block ( 10 ) and adjacent to the spacer element, such that the uppermost piston ring ( 24 ) is arranged on the piston ( 16 ), that applies:
0 <B ≤ A / 2,
and that around the combustion chamber ( 22 ) the thickness D of the spacer element ( 200 ) measured in the direction of the combustion chamber axis ( 22 a) is at least 2 mm and is dimensioned such that - in a radial projection of the combustion chamber axis ( 22 a) below the cylinder head sealing surface ( 20 ) and over the uppermost piston ring ( 24 ) of the piston F ( 16 ) located in its top dead center part F B of the entire combustion chamber circumferential surface onto a surface which is coaxial with the combustion chamber axis and with the wall of the spacer element opening ( 202 ) coinciding cylinder surface - the surface F D of the wall of the spacer opening ( 202 ) is at least 40% of the combustion chamber peripheral surface part F B.
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| DE102005040639A1 (en) * | 2005-08-27 | 2007-03-01 | Deutz Ag | Internal-combustion engine e.g. four-cylinder self ignited internal combustion engine, has piston immersed with its base region into recesses of cylinder head, such that topmost piston ring in dead center position is arranged within gasket |
| DE102005040635A1 (en) * | 2005-08-27 | 2007-03-01 | Deutz Ag | Water-cooled internal combustion engine |
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